Содержание низкомолекулярных антиоксидантов в органах растения хризантемы овощной в условиях низкой положительной температуры

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Использование амперометрического экспресс-метода позволило оперативно измерить и оценить суммарное содержание водо- и спирторастворимых антиоксидантов в экстрактах из растений Chryzantemum coronarium L. Исследовано влияние оптимальных и низких положительных температур на накопление низкомолекулярных антиоксидантов: аскорбиновой кислоты, фенольных соединений, растворимых углеводов, каротиноидов в различных органах хризантемы овощной. В листьях изученных сортов содержание флавоноидов было в два раза выше, чем в стеблях, в то время как уровень накопления конденсированных и полимерных полифенолов в стебле – в 3 раза выше их аккумуляции в листьях. Максимальное суммарное содержание антиоксидантов обнаружено в соцветиях, тогда как в других органах растения их накапливали в 2-3 раза меньше. В условиях гипотермии в ноябре количество аскорбиновой кислоты, фотосинтетических пигментов и суммарное содержание антиоксидантов оставались на более высоком уровне в верхних фотосинтезирующих листьях. Сделан вывод о важной роли низкомолекулярных антиоксидантов в защите клеток растений при действии низких положительных температур.

Полный текст

Расширение разнообразия овощного ассортимента в Нечерноземной зоне России путем введения в культуру растений с ценными пищевыми и лекарственными свойствами с последующим внедрением в производство созданных на их основе сортов, адаптированных к новым условиям выращивания, – важная задача овощеводства этого региона. [1, 2]. Учитывая его неблагоприятные почвенно-климатические условия, следует обращать внимание на такой показатель растений, как устойчивость к действию абиотических стрессоров. В связи с этим для рискованной зоны земледелия актуальны исследования, направленные на изучение способности интродуцируемой культуры Chrysantemum coronarium из семейства Asteracea приспосабливаться к новым условиям вегетации.

В странах Юго-Восточной Азии, Китае, Японии, Индии эта пряно-ароматическая культура, обладающая высоким пищевым и фармакологическим свойствами, широко распространена. Салаты из лепестков цветков, листья и сочные стебли используют в пищу, а в медицине – надземную часть растения для профилактики, например, сердечно-сосудистых заболеваний. Использование хризантемы овощной в качестве лекарственного растения обусловлено высоким содержанием биологически активных соединений с антиокислительной активностью, в том числе фенольных. Из полифенолов интерес представляют флавоноиды и антраценовые производные, особенно оксиантрахиноны, вследствие разнообразного воздействия на функциональные показатели живого организма. Гликозиды кверцетина способствуют снижению уровня холестерина, а летучие соединения растения обладают фитонцидной и антибактериальной активностью [3, 4].

Ранее мы отмечали, что хризантема съедобная – экологически пластичное растение, устойчивое к возвратным весенним холодам и осенним пониженным температурам. В Подмосковье хризантема овощная сорта Узорчатая вегетирует в открытом грунте до глубокой осени, сохраняя зеленую окраску листьев [5]. Эта культура относится к холодостойким растениям. Известно, что при низких температурах в растительной клетке активизируются окислительные процессы, обусловленные повышенной генерацией активных форм кислорода [6]. Процесс адаптации растений к гипотермии можно связать, в том числе, с неспецифическими антиоксидантными свойствами низкомолекулярных соединений, способных к перехвату свободных радикалов и активных форм кислорода [7, 8].

Целью работы было изучение состава и содержания низкомолекулярных метаболитов – антиоксидантов в органах растения хризантемы съедобной, обусловливающих ее устойчивость к пониженным температурам.

Методика. Объектом исследования служили растения семейства Asteracea, рода Glebionis coronaria L. Cass. Ex. Spach, вида Chrisantemum Coronarium L. Использовали растения хризантемы съедобной (овощной) сортов Узорчатая [9], Янтарная [10] селекции Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур (ВНИИССОК), а также образец хризантемы съедобной – форму 1 из коллекции Новосибирского ботанического сада. Сорта хризантемы съедобной различались по форме листовой пластинки: у сорта Узорчатая – дважды перисто-раздельные узкие желто-зеленые листья, у сорта Янтарная – широкие слегка раздельные светло-зеленые листья. Образец хризантемы съедобной – форма 1 представляет собой промежуточный широколиственный тип листовой пластинки. Выращенное в пленочной теплице ВНИИССОК, это растение имело мощный мясистый сильноветвящийся стебель с сидячими листьями. На одном растении одновременно образовывалось 15-25 языковых и трубчатых цветков, собранных в характерное соцветие – корзинку. У изученных сортов соцветие  обрамляется лепестками желтого, иногда белого цвета. Листья имеют специфический терпкий запах, пикантный, напоминающий спаржу вкус.

Материалом исследований служили листья верхнего и нижнего ярусов, стебли, цветки и корни растений. Растения выращивали в открытом грунте ВНИИССОК (Московская область, Одинцово) и в защищенном грунте. Посев семенами проводили рядовым способом, расстояние между растениями составляло 20 см,  между рядами – 70 см.

Суммарное содержание антиоксидантов определяли амперометрическим методом. Результат выражали в эквивалентах галловой кислоты (ГК) – мг.экв. ГК/г. Образцы гомогенизировали в бидистилляте и 96%-ном этаноле, затем центрифугировали. Аликвоту супернатанта использовали для определения содержания антиоксидантов, при необходимости разбавляя. Измерение проводили на приборе «Цвет – Яуза -01-АА» в постоянно токовом режиме [11]. Содержание восстановленной формы аскорбиновой кислоты определяли йодометрическим методом, основанным на титровании аскорбиновой кислоты в окрашенных экстрактах йодатом калия в кислой среде, в присутствии йодистого калия и крахмала [12]. Анализ состава и содержание четырех групп фенольных соединений: простых фенольных и оксибензойных кислот, фенилпропаноидов, флавоноидов, конденсированных и полимерных полифенолов в листьях и стеблях проводили по методу [13]. Содержание сахаров определяли по методике, как описано в работе [14].

Результаты и обсуждение.  Интерес к вторичным метаболитам, в том числе к низкомолекулярным метаболитам фенольной природы, обусловлен их широким спектром биологической активности. Повышенная способность гидроксильных групп фенольных соединений к окислению сопряжена с активным восстановлением окисленных антиоксидантов, что обеспечивает их быструю регенерацию даже при незначительном количестве веществ фенольной природы. Многие из фенольных соединений проявляют антиокислительную активность, что защищает растение от действия абиогенных и биогенных стрессоров, в том числе реактивирует окисленную форму аскорбиновой кислоты [15, 16].

Результаты сравнительного исследования по накоплению фракций фенольных соединений в листьях и стеблях растений хризантемы овощной сортов Узорчатая и Янтарная представлены в табл.1. Листья растений обоих сортов содержали практически одинаковое количество простых фенолов и фенолкарбоновых кислот, в то время как полностью оформленные листья сорта Янтарная – более высокое количество (на 8%) флавоноидов, чем сорта Узорчатая. Содержание конденсированных и полимерных полифенолов в стеблях этих сортов было почти в 3 раза выше их содержания в листьях, а количество простых фенольных соединений – в 1,3-1,6 раза. В то же время стебли характеризовались более низким содержанием флавоноидов (в 2 раза и более), чем листья. По-видимому, более низкое содержание антиоксидантов – флавоноидов в листьях хризантемы овощной сорта Узорчатая может быть компенсировано большим суммарным содержанием в них водорастворимых низкомолекулярных антиоксидантов.

 

Табл. 1. Фракционный состав и содержание полифенолов (ПФ) в органах растения хризантемы съедобной сортов селекции ВНИИССОК (%/абсолютно сухую массу)

Cорт

Орган

Общая сумма ПФ

Простые ПФ и фенолкарбоновые

кислоты

Дифенилпропаноиды

 (флавоноиды)

(±0,11)

Конденсированные

и полимерные ПФ

(±0,11)

простые ПФ и окси-бензойные кислоты

(±0,05)

фенилпропаноиды (оксикоричные кислоты и их эфиры) (±0,01)

Узорчатая

Листья

5,15

0,21

0,14

4,39

0,41

Сте-бель

4,06

0,33

0,05

2,34

1,34

Янтарная

Листья

5,54

0,24

0,14

4,73

0,43

Сте-бель

3,97

0,31

0,05

2,30

1,31

 

Эффективность системы антиоксидантной защиты оценивали на основании данных о суммарном содержании низкомолекулярных антиоксидантов в водных экстрактах разных органов растения. Так, у растений сорта Узорчатая в активно фотосинтезирующих листьях верхних ярусов водорастворимых антиоксидантов накапливалось больше, чем в листьях нижнего яруса – 0,72±0,02 и 0,52±0,02 мг. экв. ГК/г соответственно. Следует отметить, что по содержанию суммы антиоксидантов в водных экстрактах верхняя фотосинтезирующая часть стебля была сравнима с нижними листьями, в то время как в нижней части стебля их было более чем в 2 раза меньше. В водном экстракте корня растений сумма антиоксидантов была намного выше - 1,13±0,03 мг. экв. ГК/г, чем в частях стебля и листьях, что свидетельствует о его важной роли в защите надземной части  растения при гипотермии. Максимальное количество антиоксидантов обнаружено в зеленых корзинках развивающегося цветка – 2,20±0,07 мг. экв. ГК/г, тогда как в полностью созревших (желтых)  оно снижалось на 23%.

Полученные данные указывают на неравномерное распределение низкомолекулярных антиоксидантов по органам растения. Антиоксидантный потенциал защитной системы целого растения формируется из антиоксидантных систем отдельных его органов, и эффективность их функционирования определяет устойчивость растения к действию гипотермии в осенний период.

Анализ суммарного содержания антиоксидантов водного и спиртового экстрактов из органов растения хризантемы съедобной формы 1, выращенного в защищенном грунте и проанализированного в октябре, показал максимальный уровень накопления низкомолекулярных антиоксидантов в спиртовых экстрактах соцветий и листьев верхнего яруса при более низком их количестве в листьях нижнего яруса и корнях (табл. 2). При понижении температуры в ноябре наблюдали незначительное снижение суммарного содержания антиоксидантов в спиртовых экстрактах соцветий, листьев верхнего яруса и корней, в то время как повышение их количества на 33% – в листьях нижнего яруса. В условиях пониженной температуры реализация растениями стратегии выживания и защиты осуществляется путем неодинакового изменения содержания низкомолекулярных антиоксидантов в отдельных органах, что обусловлено доминирующим развитием генеративных органов. Динамика изменения ССА может свидетельствовать о степени устойчивости растений к стрессу [11, 17].

 

Табл. 2. Суммарное содержание антиоксидантов в водном и спиртовом экстрактах разных органов хризантемы съедобной формы №1 (защищенный грунт)

Образец

ССА, мг экв. ГК / г

C2H5OH, 96%

H2O

 

октябрь

ноябрь

октябрь

Лепестки

1,42±0,07

1,14±0,06

1,11±0,06

Чашечка с тычинками

1,17±0,06

1,03±0,05

0,73±0,04

Листья верхнего яруса

0,73±0,04

0,65±0,03

0,42±0,02

Листья нижнего яруса

0,40±0,02

0,53±0,03

0,39±0,02

Корни

0,30±0,02

0,28±0,01

0,37±0,02

 

Важные для растения антиоксиданты – каротиноиды обезвреживают различные формы активного кислорода, образующиеся при фотосинтезе, а также участвуют в снижении возбужденных состояний хлорофиллов, выполняя фотозащитную функцию [18]. При понижении температуры в осенний период наблюдали уменьшение содержания суммы хлорофиллов в фотосинтезирующих листьях нижнего яруса, в то время как в листьях верхнего яруса обнаружили существенное увеличение количества зеленого пигмента (табл. 3), а также содержания каротиноидов. Этот эффект, по-видимому, можно связать с разными механизмами адаптации пигментного аппарата листьев-доноров и листьев разного возраста к низкому освещению на фоне понижения температуры. Увеличение содержания хлорофиллов в листьях верхнего яруса может указывать на качественную перестройку светособирающего комплекса, что приводит к повышению устойчивости хлоропластов к окислительному низкотемпературному стрессу.

 

 Табл. 3. Содержание пигментов в цветках и листьях хризантемы съедобной формы №1 (защищенный грунт)

Образец

Хлорофилл, мг/г

Каротиноиды, мг/г

октябрь

ноябрь

октябрь

ноябрь

Лепестки

-

-

0,23±0,01

0,26±0,01

Чашечка с тычинками

-

-

0,19±0,01

0,24±0,01

Листья верхнего яруса

1,51±0,08

1,86±0,09

0,50±0,03

0,62±0,03

Листья нижнего яруса

1,60±0,08

0,82±0,04

0,50±0,03

0,29±0,01

 

Компонентами системы антиоксидантной защиты при гипотермии в качестве неспецифических низкомолекулярных антиоксидантов могут служить растворимые углеводы [8, 19]. Сахара в растении выполняют многочисленные функции, в том числе защитные, кроме того как источник энергии и предшественник при синтезе метаболитов они необходимы при ультраструктурной и функциональной перестройке клеток в период адаптации в условиях гипотермии [20, 21].

Содержание моносахаров в листьях растений хризантемы овощной, выращенной в открытом грунте в октябре и ноябре, уменьшалось постепенно по мере понижения температуры до низких положительных и отрицательных (-1⁰С). При этом в стеблях растений сортов Узорчатая и Янтарная количество сахаров уменьшилось почти в 2 раза,  в то время как в фотосинтезирующих листьях – в 1,3 раза (табл. 4).

Известно, что в результате взаимодействия растворимых углеводов с радикалами и активными формами кислорода могут образовываться стабильные соединения: кислоты, альдегиды, кетоны, циклические лактоны и другие окисленные продукты, которые не относятся к классу углеводов [8]. Вероятно, резкое снижение (почти в 2 раза) в стеблях хризантемы съедобной содержания сахаров можно объяснить расходованием их в реакциях свободно-радикального окисления на образование стабильных продуктов или уменьшением оттока сахаров из фотосинтезирующих листьев. В растениях, выращенных в защищенном грунте (форма 1), уровень содержания сахаров снижался в стебле в 1,4 раза, в листьях – в 1,3 раза.

Существенное уменьшение содержания аскорбиновой кислоты в листьях хризантемы (в 2-3 раза) наблюдали при понижении температуры в ноябре (табл. 4), при этом в стеблях оно снижалось не столь значительно (в 1,1-1,6 раза). Возрастание содержания активных форм кислорода при снижении положительных температур приводит к быстрому уменьшению концентрации аскорбиновой кислоты, особенно в фотосинтезирующих листьях. Полученные закономерности изменения содержания аскорбиновой кислоты и моносахаров свидетельствуют об их важной роли в защите клеток от окислительного стресса.

 

Табл. 4. Содержание сахаров (%) и аскорбиновой кислоты – АК (мг%) в листьях и стеблях растений хризантемы овощной сортов Узорчатая и Янтарная (открытый грунт) и в образце форма 1 (защищенный грунт)

Средняя темпера-тура

Орган

 

форма1

 

Узорчатая

Янтарная

сахара

АК

сахара

АК

сахара

АК

12,2 ºС

Листья

1,19±0,09

59,8±4,2

1,06±0,07

51,7±3,7

0,82±0,04

71,2±4,4

Сте-бель

2,65±0,40

10,7±0,7

2,80±0,31

12,1±0,8

2,95±0,35

25,2±1,3

6,7 ºС

Листья

0,91±0,05

19,9±1,4

0,79±0,03

16,4±1,3

0,62±0,03

35,2±2,1

Сте-бель

1,27±0,37

9,2± 0,6

1,49±0,10

9,8± 0,7

2,05±0,25

15,8±0,9

 

В период длительной вегетации холодостойкого растения Chrisanthemum coronaria L. в условиях положительных постоянно понижающихся осенних температур, стратегия выживания которого направлена на активное функционирование его надземной части, особенно генеративных органов, формирование устойчивости тесно связано  с эффективностью функционирования низкомолекулярных антиоксидантов. Ответные реакции клеток, накапливающих низкомолекулярные антиоксиданты различной природы и структуры в органах этого растения при гипотермии, интегрируются в ответ целого растения, что выражается в ингибировании роста, обусловленного доминирующим развитием генеративных органов.

Хризантему овощную можно использовать в качестве возобновляемого источника сырья для создания стресс-протекторных добавок, которые могут найти применение при профилактике и лечении стресса в составе комплексной антиоксидантной  терапии.

 

Таким образом, полученные данные позволяют связать устойчивость сортов хризантемы овощной к гипотермии с постепенным снижением уровня сахаров, каротиноидов и суммарного содержания водо- и спирторастворимых антиоксидантов в фотосинтезирующих листьях и соцветиях. Это указывает на важную роль низкомолекулярных антиоксидантов в защите клеток от активных форм кислорода и свободных радикалов при действии близких к нулю положительных температур.

Устойчивость растений к пониженным температурам и освещенности позволяет выращивать хризантему овощную на зелень с высоким содержанием антиоксидантов в августе-сентябре в открытом грунте, в сентябре-октябре – в пленочной теплице после уборки скороспелых культур. Учитывая короткий вегетационный период – 30-40 суток (срезка растений на пищевые и фармакологические цели), богатый комплекс высокоактивных антиоксидантов, содержащихся в листьях, стеблях и цветках, хризантема овощная пригодна для разработки фитопрепаратов для лечения воспалительных и свободно-радикальных заболеваний и как сырье для создания биологически активной добавки к продуктам питания профилактического и диетического назначения.

×

Об авторах

М. С. Гинс

Федеральный научный центр овощеводства; Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: anirr@bk.ru

член-корреспондент РАН

Россия, Московская область, Одинцовский район, п. ВНИИССОК, ул. Селекционная, 14; Москва,ул. Миклухо-Маклая, 6

В. К. Гинс

Федеральный научный центр овощеводства

Email: anirr@bk.ru

доктор биологических наук

Россия, Московская область, Одинцовский район, п. ВНИИССОК, ул. Селекционная, 14

П. Ф. Кононков

Общественная академия нетрадиционных и редких растений

Email: anirr@bk.ru

доктор сельскохозяйственных наук

Россия, Московская область, Одинцовский район, п. ВНИИССОК, ул. Селекционная, 14

А. А. Байков

Федеральный научный центр овощеводства

Email: anirr@bk.ru
Россия, Московская область, Одинцовский район, п. ВНИИССОК, ул. Селекционная, 14

Ф. В. Пивоваров

Федеральный научный центр овощеводства

Email: anirr@bk.ru

академик РАН

Россия, Московская область, Одинцовский район, п. ВНИИССОК, ул. Селекционная, 14

Ю. В. Фотев

Центральный сибирский ботанический сад СО РАН

Email: anirr@bk.ru

кандидат сельскохозяйственных наук

Россия, Новосибирск, ул. Золотодолинская, 101

Е. М. Гинс

Российский университет дружбы народов

Email: anirr@bk.ru
Россия, Москва,ул. Миклухо-Маклая, 6

Список литературы

  1. Кононков П.Ф., Гинс В.К. Перспективность интродукции в решении проблемы продовольствия // Картофель и овощи. – 1996. – №1. – С.23-24.
  2. Романова Е.В., Гинс М.С. Нетрадиционные растения – новые источники питательных веществ и антиоксидантов // Bicник донбассой национальной академии будивництва, архетиктури. – 2001. – Вып. 2. – С.9-10.
  3. Колесников М.П., Гинс В.К., Кононков П.Ф., Тришин М.Е., Гинс М.С. Оксиантрахиноны и флавоноиды хризантемы съедобной (овощной) // Прикладная биохимия и микробиология. – 2000. – Т.36. – №3. – С. 344-353.
  4. Яппарова Э.Н., Полякова Л.Р., Шайнурова Э.И., Хуснетдинова Э.З. Фитонцидная активность и развитие хризантемы съедобной в условиях северного Нечерноземья Башкортостана // Материалы VII Международного симпозиума «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования». – М.: РУДН, 2007. – Т.1. – С.228-231.
  5. Гинс М.С., Гинс В.К., Жибарева С.А. Влияние пониженной температуры на состав хризантемы съедобной // Материалы VI Международного симпозиума «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования». – М: РУДН, 2005. – Т.3. – С.248-250.
  6. Kuźniak E. Transgenic plants: An insight into oxidative stress tolerance mechanisms // Acta Physiol Plant. – 2002. – V. 24. – P. 97-113.
  7. Chen P.M., Burke M.J., Li P.H. The frost hardiness of several Solanum species in relation to the freezing of water, melting point depression, and tissue water content // Bot. Gaz. – 1976. – V. 137. – P. 313-317.
  8. Синькевич М.С., Дерябина А.Н., Трунова Т.И. Особенности окислительного стресса у растений картофеля с измененным углеводным метаболизмом // Физиология растений .– 2009. – Т. 56. – №2. – С. 186-192.
  9. Патент Р.Ф. № 4020 от 20.05.2008 г. Хризантема увенчанная Glebionis cozonaria (L.) Cass ex Spach Узорчатая. Авторы Гинс В.К., Кононков П.Ф., Тришин М.Е.
  10. Авторское свидетельство Р.Ф. № 50934 от 14.01.2009 г. Хризантема увенчанная Янтарная. Авторы: Гинс В.К., Беленикин С.В., Гинс М.С., Кононков П.Ф.
  11. Гинс М.С., Гинс В.К., Байков А.А., Романова Е.В., Кононков П.Ф., Торрес М.К., Лапо О.А. Методика анализа суммарного содержания антиоксидантов в листовых и листостебельных овощных культурах. – М., 2013. – 40c.
  12. Сапожникова Е.В., Дорофеева Л.С. Определение содержания аскорбиновой кислоты в окрашенных растительных экстрактах йодометрическим методом // Консервная и овощесушильная промышленность. – 1966. – № 5. – C. 29-31.
  13. Гинс М.С., Гинс В.К., Колесников М.П., Кононков П.Ф. и др. Методика анализа фенольных соединений в овощных культурах. –М.: Росинформагротех, 2010. –
  14. Ермаков Е.И. Методы биохимического исследования растений. –Л.: Колос, 1972. – 456 с.
  15. Bors W., Michel C., Schikora S. Interaction of flavonoids with ascorbate and determination of their univalent redox potentials: a pulse radiolysis study // Free Radic Biol Med. – 1995. – V. 19. – P. 45-52.
  16. Шкарина Е.И., Максимова Т.В., Никулина И.Н., Лозовская Е.Л., Чумакова З.В., Пахомов В.П., Сапежинский И.И., Арзамасцев А.П. О влиянии биологически активных веществ на антиоксидантную активность фитопрепаратов // Химико-фармацевтический журнал. –2001. –Т. 35. – № 6. – С. 40-47.
  17. Левко Г.Д., Гинс М.С., Здольникова Е.А., Байков А.А., Турушина В.М. Влияние суммарного содержания водорастворимых антиоксидантов в корневищах на зимостойкость сортов ириса садового (Iris hybrida L.) // Овощи России. – 2016. – № 1 (30). – С. 76-81.
  18. Niyogi K. Photoprotection Revisited: Genetic and Molecular Approaches // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. – 1999. – V50. – P. 333-359.
  19. Синькевич М.С., Сабельникова Е.П., Дерябин А.Н., Астахова Н.В., Дубинина И.М., Бураханова Е.А., Трунова Т.И. Динамика активности инвертаз и содержания сахаров при адаптации // Физиология растений. – 2008. – Т. 55. – № 4. – С. 501-506.
  20. Аверьянов А.А., Лапикова В.П. Взаимодействие сахаров с гидроксильным радикалом в связи с фунгитоксичностью выделений листьев // Биохимия. –1989. – Т. 54. – С.1646-1651.
  21. Трунова Т.И. Растения и низкотемпературный стресс. – М. Наука, 2007. – 60 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

© Российская академия наук, 2019

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах